EP1012906A1 - Ebene mikrowellenantenne - Google Patents

Ebene mikrowellenantenne

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Publication number
EP1012906A1
EP1012906A1 EP98934748A EP98934748A EP1012906A1 EP 1012906 A1 EP1012906 A1 EP 1012906A1 EP 98934748 A EP98934748 A EP 98934748A EP 98934748 A EP98934748 A EP 98934748A EP 1012906 A1 EP1012906 A1 EP 1012906A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
plane
antenna
individual
microwave antenna
antenna according
Prior art date
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Application number
EP98934748A
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English (en)
French (fr)
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EP1012906B1 (de
Inventor
Thomas Wixforth
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1012906A1 publication Critical patent/EP1012906A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1012906B1 publication Critical patent/EP1012906B1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/061—Two dimensional planar arrays
    • H01Q21/065—Patch antenna array
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/24—Combinations of antenna units polarised in different directions for transmitting or receiving circularly and elliptically polarised waves or waves linearly polarised in any direction
    • H01Q21/245—Combinations of antenna units polarised in different directions for transmitting or receiving circularly and elliptically polarised waves or waves linearly polarised in any direction provided with means for varying the polarisation 
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • H01Q9/045—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with particular feeding means

Definitions

  • the invention relates to a microwave antenna with individual antenna elements linked to one another via lines of defined length, which are arranged above a ground plane.
  • the invention relates in particular to a plane microwave antenna of the generic type, a displaceable plane (setting plane) being arranged adjacent to the plane in which the individual antenna elements are arranged, which carries means for phase-shifting those from the lines individual signals.
  • the generic antennas can be both transmit and receive antennas.
  • Level microwave antennas of the generic type are known in the prior art, for example the flat antenna A60-F from the Blau Vietnamese brand.
  • Such flat microwave antennas are primarily intended to replace the so-called "satellite dishes", which have become very popular in recent years, but whose external appearance often triggers criticism because it aesthetically disturbs the external appearance of buildings and landscapes intervenes.
  • the known flat antennas - like the already mentioned parabolic antennas - have to be aligned with respect to two degrees of freedom to the respective satellite to be received in order to provide acceptable signal-to-noise ratios of the antenna signal.
  • the two degrees of freedom are usually referred to as “elevation” and "azimuth", the elevation corresponding to an angle 0 which lies between the main lobe direction of the main antenna plane and the azimuth ⁇ characterizes the rotation of the entire arrangement about a vertical axis.
  • elevation and “azimuth”
  • the elevation corresponding to an angle 0 which lies between the main lobe direction of the main antenna plane and the azimuth ⁇ characterizes the rotation of the entire arrangement about a vertical axis.
  • other angle designations can also be selected.
  • All planar antennas (planar antennas) previously offered can only receive in the direction of incidence perpendicular to their base area. Mechanical alignment is therefore also necessary.
  • a flat microwave antenna is known from EP 0 456 579 A1, in which the main lobe direction can be set without pivoting the main plane.
  • at least one setting level is provided, on which wedge-shaped means are provided, in order to apply a defined phase delay to the respective lines, which originate from the individual antenna elements. In this way it can be achieved that the angle ⁇ which is formed between the main lobe direction and the base plane of the planar antenna can deviate from 90 °.
  • the only way to create such an antenna is to pivot the main lobe direction in one plane, the angle between the main lobe direction and the base area of the antennas being 90 ° in classic flat antennas acute or an obtuse angle can be changed, but the main lobe direction is always in the plane spanned by the vertical axis and the direction of increasing or decreasing phase offset of the individual signals.
  • EP 0 456 579 A1 provides for two adjustment planes arranged at right angles to one another, so that phase shifts of the individual signals in two perpendicular directions are made possible.
  • planar antenna with adjustable directional characteristic known from the European open-up specification has some disadvantages which severely restrict its practical applicability.
  • the means which are to have a phase-shifting effect on the individual lines extend at right angles to the lines, the wedge-shaped design of the phase-shifting elements disclosed in the laid-open publication requiring a certain thickness of the setting level and offering manufacturing problems .
  • the invention is therefore based on the first object of improving an antenna of the special type based on the prior art in the form of EP 0 456 579 A1 so that the phase-shifting elements are easier to manufacture on the setting level and are less susceptible to mechanical interference.
  • the solution to the problem is characterized in a generic flat microwave antenna in that the lines are each interrupted, that each interruption point is assigned an essentially U-shaped conductor section arranged on the displaceable level, the active length of which can be changed by shifting the setting level. Due to the intended interruption of the lines, the essentially U-shaped conductor section assigned to each interruption point acts as a variable pull-out line, as a result of which the transit time of the signal and thus its phase position can be influenced.
  • the phase shifters / delay elements provided according to the invention on the setting level can be arranged on the setting level in various manufacturing techniques or conductor techniques. These include microstrip lines, triplate lines or strip lines, suspended substrate lines, slot lines, coplanar lines, coplanar strip lines.
  • the setting plane is particularly preferably arranged between the ground plane and the plane of the individual antenna elements.
  • the U-shaped conductor sections can be coupled galvanically or else mixed inductively / capacitively.
  • the angle between the main lobe direction and the main antenna plane can be set, the setting plane preferably being in the form of a film, on the edges of which traction means act.
  • These traction means can, for example, be screws arranged opposite one another, with which the setting plane in the form of the film can each be moved in one direction.
  • an inventive development of the plane microwave antenna according to the invention is characterized in that the antenna plane is rotatably mounted, and thus an angle ⁇ about the vertical axis can also be set.
  • planar antenna according to EP 0 456 579 AI which represents the special generic state of the art, that the planar antenna according to the prior art is only suitable for the polarization types left circular (LHCP) and right circular (RHCP).
  • the invention is therefore based on the further object of providing a planar microwave antenna which is suitable for any type of polarization.
  • the solution to the problem is in a microwave antenna with individual antenna elements linked to one another via lines of defined length, which are arranged above a ground plane, characterized by a double-shell structure, each shell having at least one plane containing individual antenna elements and the preferred direction of the individual antenna elements of the first shell runs at right angles to the preferred direction of the individual antenna elements of the second shell.
  • the summed signals of the first and the second shell are each routed to one of two coupling-out contacts, which are arranged offset from one another by an angle of ⁇ / 2 in a circular cutout, and that a in the circular cutout rotatably mounted waveguide with a circular cross-section has two corresponding coupling contacts arranged offset by ⁇ c / 2.
  • the solution according to the invention can be used particularly advantageously with the microwave antenna with adjustable directional characteristic proposed according to the invention, in which exactly one displaceable plane with essentially U-shaped conductor sections is arranged as phase-shifting elements on a rotatable main plane, so that the main lobe direction tion can be set with little effort.
  • the combination of the two measures creates an antenna which is suitable, for example, for satellite reception and communication and other applications, the antenna being inconspicuously parallel to any surface, for example a house wall, a gable wall and others, and good signal-to-noise ratio of the antenna signal with any type of polarization.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the setting options for the direction of the main lobe in the case of a flat antenna according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic perspective illustration of the layer structure of a flat antenna according to the invention
  • FIG. 3 the layer structure according to FIG. 2, as an exploded drawing
  • FIG. 4 shows a perspective schematic representation of the two shells with antenna elements arranged offset from one another by ⁇ / 2,
  • FIG. 5 the view according to Figure 4 in plan view, the coupling contacts of a central waveguide are shown in a first position
  • FIG. 6 the illustration according to FIG. 5, the coupling-out locations being offset in order to make another polarization plane receivable
  • Figure 7 - a schematic representation of a possible
  • Figure 8 Examples of binary tree structures and arrangement of phase-shifting elements with different square numbers of individual antenna elements.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of the degrees of freedom provided according to the invention for aligning the main lobe of a planar antenna 10 according to the invention.
  • the planar antenna 10 according to the invention has, for example, 10 ⁇ 10 individual antenna elements, which are only indicated by a circle 12 in FIG. 1.
  • the edge of the antenna surface can - as indicated in Figure 1 - for example rectangular, i.e. following the matrix of 10 x 10 individual antenna elements - be formed or, in order to enable the preferred rotation about the vertical axis - Z axis - to have a circular edge.
  • a defined phase shift can be imparted to all individual antenna elements of the same coordinate in the direction of the X ′ axis, as is symbolized by the triangle 14. In this way it can be achieved that, despite an angle of incidence deviating from the vertical by an angle f), all the individual signals of the individual antenna elements appear in phase at the summation point.
  • the entire antenna arrangement can be pivoted about the vertical axis, ie the Z axis, so that the X ′ axis can be pivoted by an angle ⁇ to the X axis.
  • the angle ⁇ can be an azimuth, for example.
  • the very simple concept provided according to the invention enables inexpensive antennas which can be arranged in any position on building walls, and in particular parallel to a building wall, the direction of the main lobe nevertheless being freely orientable in the room.
  • FIG. 2 shows the structure of a planar antenna provided according to the invention
  • Figure 3 the layers shown in Figure 2 are shown as an exploded view.
  • a two-shell structure is provided in order to evaluate two polarization components that are orthogonal to one another and thus to be able to set any type of polarization.
  • the layers belonging to an upper shell are provided with 20's reference symbols, while the layers belonging to a lower shell have 30s reference symbols.
  • a metal layer 20 can first be seen from top to bottom, which is applied to a carrier material 22, which is referred to below as "superstrate 22".
  • Figure 3 shows that the metal layer 20 carries 2 x 2 circular cutouts 21. Each circular section is part of a single antenna element.
  • the representation of a 2 ⁇ 2 matrix of individual antenna elements has been chosen in order to enable an easy to understand representation. In actual embodiments of the antenna according to the invention, the matrices of individual antenna elements will have to be chosen to be significantly larger, in particular to receive a sufficiently strong overall signal when receiving satellite signals.
  • a film 24 is arranged under the superstrate 22 and can be moved in the direction of the arrows in FIG. 3.
  • U-shaped conductor sections 25a and 25b are arranged on the film 24, the function of which becomes clear when the next layer, the substrate 26, is viewed.
  • the substrate 26 carries a network structure with individual antenna elements 27, which are all aligned in one direction parallel to one another. Lines, which are interrupted at two points 28a and 28b, depart from the individual antenna elements 27, which interact with the corresponding circular sections 21 in the metal layer 20. These interruption points are bridged by the U-shaped conductor pieces 25a and 25b, the effective length of the U-shaped “pull-out lines” 25a and 25b being able to be changed by the position of the film 24. If the film 24 shown in FIG.
  • the individual antenna elements 37 which each interact with the cutouts 31 in the metal layer 30, are facing in an orthogonally extending direction the first-mentioned individual antenna elements 27 aligned.
  • the outcoupling contact 39 likewise extends at an angle of ⁇ / 2 to the outcoupling contact 29.
  • the bottom layer 40 shows the base plane 40, a circular waveguide 42 which, according to the invention, can be rotated relative to the base plane 40 and which interacts with the coupling contact 29 and 39 of the two shells, which are offset by ⁇ / 2 from one another.
  • FIG 4 four individual antenna elements each of the upper and the lower shell are shown in perspective one above the other. It can be seen that the individual antenna elements 27 and 37 assigned to one another are arranged under mutually perpendicular polarization directions. It can also be seen that the projections of the coupling-out contacts 29 and 39 of the upper and lower shell are arranged at an angle of ⁇ / 2 to one another; one can also see the rotatably arranged circular waveguide 42 with which the total signal is coupled out.
  • Figure 5 shows the representation according to Figure 4 in the form of a projection, the direction of projection parallel to the vertical axis, i.e. Z axis runs.
  • the planes of the first and second shells spaced apart from one another in space therefore appear to be fused together in the plan view in FIG. 5.
  • FIG. 5 also shows two outcoupling contacts 49 arranged on the circular waveguide 42, which are spaced apart by ⁇ / 2, as well as the outcoupling contacts 29 of the upper shell and 39 of the lower shell.
  • the signal of the vertically polarized wave component (with respect to the view) can be coupled out at the decoupling contact shown vertically. Accordingly, the signal of the horizontally polarized well component is available at the other coupling-out contact 49.
  • any desired plane of polarization can accordingly be set by rotating the circular waveguide 42.
  • the signals supplied by the two shells are connected to one another with the interposition of a 90 ° phase shifter, a circularly polarized signal can also be processed with the planar antenna according to the invention, since circularly polarized waves can be composed of any two orthogonal linear wave components. If the decoupling contacts on the circular waveguide connection are connected in such a way that they result in circular polarization, the rotation or the angle to the main plane of the antenna is irrelevant.
  • the antenna according to the invention inexpensively opens up the possibility of creating a universal antenna, in particular for satellite reception, which can be in any position, i.e. arranged in an aesthetically satisfactory manner, aligned to a satellite to be received and can be switched to different forms of polarization with simple means.
  • FIGS. 7 and 8 show examples of the binary tree structure and the arrangement of phase-shifting “pull-out lines”.
  • FIG. 7 shows an arrangement in which the individual antenna elements are symbolized by circles 12, while the phase-shifting elements 25 of the first shell and 35 of the second shell are indicated by corresponding U-shaped pieces.
  • FIG. 7 further shows the circular boundary of the antenna plane, which favors a rotation about the vertical axis — perpendicular to the plane of the drawing in FIG. 7.
  • FIG. 8 shows, by way of example in a similar symbolic representation, conceivable matrices or binary tree structures for 2x2 antenna elements, 4x4, 8x8 and 16x16 antenna elements.
  • the size of the matrix of antenna elements can be chosen arbitrarily, preference being given to square arrangements.

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Waveguide Aerials (AREA)

Abstract

Es wird eine ebene Mikrowellenantenne, beispielsweise für den Empfang von Rundfunk- und Fernsehsatelliten, vorgeschlagen, bei der die Hauptkeulenrichtung unabhängig von der Lage der Hauptebene der Antenne frei einstellbar ist. Dabei ist erfindungsgemäss vorgesehen, dass die Antenne um ihre Hochachse, d.h. eine zur Hauptebene senkrechte Achse, drehbar ist, während die Hauptkeulenrichtung in einer senkrecht zur Hauptebene verlaufenden Ebene durch entsprechende Einstellung phasenverschiebend auf die Einzelsignale wirkender Glieder in Form von im wesentlichen U-förmigen Ausziehleitungen einstellbar ist. Besonders bevorzugt ist ein zweischaliger Aufbau einer Antenne, wobei die Einzel-Antennen-Elemente der beiden Schalen auf unterschiedliche, orthogonal zueinanderstehende Hauptrichtungen ausgerichtet sind. Durch Verwendung eines drehbar zur Hauptantennen-Ebene angeordneten Auskoppelelementes, beispielsweise eines Rundhohlleiters (42), kann eine beliebige lineare Polarisationsrichtung eingestellt werden.

Description

Ebene Mikrowellenantenne
Die Erfindung betrifft eine Mikrowellenantenne mit miteinander über Leitungen definierter Länge verknüpften Einzel-Antennen- Elementen, die über einer Masseebene angeordnet sind.
Die Erfindung betrifft im speziellen eine ebene Mikrowellenantenne der gattungsgemäßen Art, wobei benachbart der Ebene, in der die Einzel-Antennen-Elemente angeordnet sind, eine ver- schiebbare Ebene (Einstellebene) angeordnet ist, die Mittel trägt, um phasenverschiebend auf die von den Leitungen geführten Einzelsignale einzuwirken. Die gattungsgemäßen Antennen können sowohl Sende- wie Empfangsantennen sein.
Ebene Mikrowellenantennen der gattungsgemäßen Art sind im Stand der Technik bekannt, beispielsweise die Flachantenne A60-F der Marke Blaupunkt. Solche ebenen Mikrowellenantennen sind vor allen Dingen dazu gedacht, die sogenannten "Satellitenschüsseln" zu ersetzen, die in den letzten Jahren sehr populär geworden sind, deren äußeres Erscheinungsbild aber häufig Kritik auslöst, da es in das äußere Erscheinungsbild von Gebäuden und Landschaften in ästhetisch störender Weise eingreift. Die bekannten Flachantennen müssen - wie auch die bereits erwähnten Parabolantennen -hinsichtlich zweier Freiheitsgrade auf den jeweiligen zu empfangenden Satelliten ausgerichtet werden, um akzeptable Störabstände des Antennensignals zu liefern. Die beiden Freiheitsgrade werden üblicherweise als "Elevation" und "Azimut" bezeichnet, wobei die Elevation einem Winkel 0 entspricht, der zwischen der Hauptkeulenrichtung der Antennenhauptebene liegt und der Azimut φ die Drehung der gesamten Anordnung um eine Hochachse charakterisiert. Je nach Lage des beschreibenden Koordinatensystems können auch andere Winkelbezeichnungen gewählt sein. Alle bisher angebotenen Planarantennen (ebenen Antenne) können nur in der zu ihrer Grundfläche senkrechten Einfallsrichtung empfangen. Ein mechanisches Ausrichten ist daher ebenfalls erforderlich .
Aus der EP 0 456 579 AI ist eine ebene Mikrowellenantenne bekannt, bei der die Hauptkeulenrichtung eingestellt werden kann, ohne die Hauptebene zu verschwenken. Bei diesem spezielleren Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht, ist zumindest eine Einstellebene vorgesehen, auf der keilförmig ausgebildete Mittel vorgesehen sind, um die jeweiligen Leitungen, die von den Einzelantennen-Elementen herrühren, mit einem definierten Phasenverzug zu beaufschlagen. Auf diese Weise läßt sich erreichen, daß der Winkel ύ, der zwischen Hauptkeulenrichtung und Grund- ebene der Planarantenne gebildet wird, von 90° abweichen kann.
Bei Vorhandensein lediglich einer Einstellebene, die in einer Richtung verschiebbar ist, wird bei einer solchen Antenne lediglich die Möglichkeit geschaffen, die Hauptkeulenrichtung in einer Ebene zu verschwenken, wobei der bei klassischen Flachantennen 90° betragende Winkel zwischen der Hauptkeulenrichtung und der Grundfläche der Antennen zu einem spitzen oder einem stumpfen Winkel abgeändert werden kann, jedoch die Hauptkeulenrichtung immer in der Ebene liegt, die durch die Hochachse und die Richtung auf- bzw. absteigenden Phasenversatzes der Einzelsignale aufgespannt wird.
Um eine beliebige Ausrichtung der Hauptkeulenrichtung der Antenne in dem die Grundfläche der Antenne überspannenden Halbkugel- r um ermöglichen zu können, ist bei dem Stand der Technik in Form der EP 0 456 579 AI gemäß Unteranspruch 5 vorgesehen, zwei rechtwinklig zueinander angeordnete Einstellebenen vorzusehen, so daß Phasenverschiebungen der Einzelsignale in zwei senkrecht aufeinanderstehenden Richtungen ermöglicht werden.
Mit einer solchen Antenne ist theoretisch die Aufgabe gelöst, eine Planarantenne zu schaffen, die unauffällig parallel zu einer Wand oder einer anderen ebenen Fläche, beispielsweise an Wohnhäusern o.a. angebracht werden kann, wobei durch die einstellbare Richtcharakteristik der Antenne sichergestellt ist, daß ein Empfang in beliebiger Lage bzw. räumlicher Orientation der Grundfläche der Antenne möglich ist.
Die aus der europäischen Of fenlegungsschrift bekannte Planarantenne mit einstellbarer Richtcharakteristik ist jedoch mit eini- gen Nachteilen behaftet, die ihre praktische Anwendbarkeit sehr einschränken. Zum einen ist vorgesehen, daß sich die Mittel, die phasenverschiebend auf die Einzelleitungen wirken sollen, rechtwinklig zu den Leitungen erstrecken, wobei die in der Offenle- gungsschrift offenbarte keilförmige Ausbildung der phasenver- schiebend wirkenden Elemente eine gewisse Dicke der Einstellebene erfordert und fertigungstechnische Probleme bietet.
Darüber hinaus ist der Aufbau mit zwei senkrecht zueinander angeordneten Einstellebenen aufwendig und verteuert die Antenne.
Der Erfindung liegt daher als erste Aufgabe zugrunde, eine Antenne der speziellen Gattung, ausgehend von dem Stand der Technik in Form der EP 0 456 579 AI so zu verbessern, daß die phasenverschiebend wirkenden Elemente einfacher auf der Ein- stellebene herzustellen und mechanisch störungsunanfälliger sind.
Die Lösung der Aufgabe ist bei einer gattungsgemäßen ebenen Mikrowellenantenne dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen jeweils unterbrochen sind, daß jeder Unterbrechungsstelle jeweils ein auf der verschiebbaren Ebene angeordneter, im wesentlichen U-förmiger Leiterabschnitt zugeordnet ist, dessen aktive Länge durch Verschieben der Einstellebene veränderlich ist. Durch die vorgesehene Unterbrechung der Leitungen wirkt der jede Unterbrechungsstelle zugeordnete, im wesentlichen U-förmige Leiterabschnitt gleichsam wie eine veränderliche Ausziehleitung, wodurch die Laufzeit des Signals und damit seine Phasenlage beeinflußt werden können. Die erfindungsgemäß auf der Einstellebene vorgesehenen Phasenschieber/Laufzeitglieder können auf der Einstellebene in verschiedenen Herstellungstechniken bzw. Leitertechniken angeordnet sein. Hierzu gehören Mikrostreifenlei- tungen, Triplate-Leitung oder auch Streifenleitung, suspended- substrate-Leitung, Schlitzleitung, Koplanarleitung, koplanare Streifenleitung.
Besonders bevorzugt ist dabei die Einstellebene zwischen Massen- ebene und der Ebene der Einzelantenne-Elemente angeordnet. Die U-förmigen Leiterabschnitte können galvanisch oder aber gemischt induktiv/kapazitiv gekoppelt sein.
Dabei kann durch Verschieben der Einstellebene der Winkel zwischen Hauptkeulenrichtung und der Antennenhauptebene eingestellt werden, wobei bevorzugt die Einstellebene in Form einer Folie ausgebildet ist, an deren Rändern Zugmittel angreifen. Diese Zugmittel können beispielsweise einander gegenüberliegend angeordnete Schrauben sein, mit denen sich die Einstellebene in Form der Folie jeweils in eine Richtung bewegen läßt.
Erfindungsgemäß ist bevorzugt vorgesehen, daß genau eine Einstellebene vorhanden ist, um den mechanischen Aufbau der Antenne zu vereinfachen. Um trotzdem die Hauptkeulenrichtung bei gegebenem Winkel ύ zwischen Hauptkeulenrichtung und Antennenebene im Raum ausrichten zu können, ist eine erfinderische Weiterbildung der erfindungsgemäßen ebenen Mikrowellenantenne dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenebene drehbar gelagert ist, und so auch ein Winkel φ um die Hochachse einstellbar ist.
Gegenüber dem Stand der Technik in Form der erwähnten gattungs- bildenden EP 0 456 579 AI wird so ein vereinfachter Aufbau erzielt, der darüber hinaus wegen der speziellen Ausgestaltung der phasenverschiebend wirkenden Elemente preiswerter herzustellen und störunempfindlicher ist.
Es ist ein weiterer Nachteil der den speziellen gattungsbilden- den Stand der Technik darstellenden Planarantenne gemäß der EP 0 456 579 AI, daß die Planarantenne gemäß des Standes der Technik nur für die Polarisationsarten linkszirkular (LHCP) und rechtszirkular (RHCP) geeignet ist.
Der Erfindung liegt daher die weitere Aufgabe zugrunde, eine planare Mikrowellenantenne zu schaffen, die für beliebige Polarisationsarten geeignet ist.
Die Lösung der Aufgabe ist bei einer Mikrowellenantenne mit miteinander über Leitungen definierter Länge verknüpften Einzel- Antennen-Elementen, die über einer Masseebene angeordnet sind, gekennzeichnet durch einen zweischaligen Aufbau, wobei jede Schale zumindest eine Einzel-Antennen-Elemente enthaltende Ebene aufweist und die Vorzugsrichtung der Einzel-Antennen-Elemente der ersten Schale rechtwinklig zu der Vorzugsrichtung der Einzel-Antennen-Elemente der zweiten Schale verläuft.
Dabei ist zur einfachen Wahl der Polarisationsrichtung bevorzugt vorgesehen, daß die jeweils aufsummierten Signale der ersten und der zweiten Schale zu jeweils einem von zwei Auskoppelkontakten geleitet werden, die um einen Winkel von π/2 zueinander versetzt in einem kreisförmigen Ausschnitt angeordnet sind, und daß ein in dem kreisförmigen Ausschnitt drehbar gelagerter Hohlleiter mit kreisförmigem Querschnitt zwei korrespondierende, um τc/2 zueinander versetzt angeordnete Auskoppelkontakte aufweist.
Die erfindungsgemäße Lösung läßt sich insbesondere vorteilhaft anwenden mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Mikrowellenantenne mit einstellbarer Richtcharakteristik, bei der genau eine verschiebbare Ebene mit im wesentlichen U-förmigen Leiterabschnitten als phasenverschiebende Elementen auf einer drehbaren Hauptebene angeordnet ist, so daß die Hauptkeulenrich- tung mit geringem Aufwand eingestellt werden kann. Durch die Kombination der beiden Maßnahmen wird eine Antenne geschaffen, die sich beispielsweise für Satellitenempfang und -kommunikation u.a. Anwendungsfälle eignet, wobei die Antenne unauffällig par- allel zu einer beliebigen Fläche, beispielsweise einer Hauswand, einer Giebelwand u.a. angebracht werden kann und gute Störabstände des Antennensignals bei beliebigen Polarisationsarten liefert .
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen näher beschrieben.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung näher dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Figur 1 - eine schematische Darstellung der Einstellmöglichkeiten der Richtung der Hauptkeule bei einer erfindungεgemäßen Flachantenne,
Figur 2 - eine schematische perspektivische Darstellung des Schichtaufbaus einer erfindungsgemäßen Flachantenne,
Figur 3 - den Schichtaufbau gemäß Figur 2, als Explosionszeichnung,
Figur 4 - eine perspektivische schematische Darstellung der beiden Schalen mit um τι/2 zueinander versetzt angeordneten Antennenelementen,
Figur 5 - die Darstellung gemäß Figur 4 in Draufsicht, wobei die Auskoppelkontakte eines zentralen Hohlleiters in einer ersten Stellung dargestellt sind, Figur 6 - die Darstellung gemäß Figur 5, wobei die Auskoppelorte versetzt sind, um eine andere Polarisationsebene empfangbar zu machen,
Figur 7 - eine schematische Darstellung einer möglichen
Gestaltung einer Binär-Baumstruktur mit Einzel- Antennen-Elementen und phasenverschiebenden Gliedern, wobei der Antennenrand kreisförmig ist, und
Figur 8 - Beispiele für Binär-Baumstrukturen und Anordnung von phasenverschiebenden Gliedern bei verschiedenen quadratischen Anzahlen von Einzel-Antennen- Elementen .
Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung die erfindungsgemäß vorgesehenen Freiheitsgrade zur Ausrichtung der Hauptkeule einer erfindungsgemäßen Planarantenne 10. Die erfindungsgemäße Planarantenne 10 weist beispielsweise 10 x 10 Einzel-Antennen-Elemente auf, die in Figur 1 lediglich durch jeweils einen Kreis 12 angedeutet sind. Der Rand der Antennenfläche kann - wie in Figur 1 angedeutet - beispielsweise rechteckig, d.h. der Matrix von 10 x 10 Einzel-Antennen-Elementen folgend - ausgebildet sein, oder, um die bevorzugte Drehung um die Hochachse - Z-Achse - zu ermöglichen, einen kreisförmigen Rand aufweisen.
Wie in den folgenden Figuren noch näher dargestellt ist, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß in Richtung der X' -Achse allen Einzel-Antennen-Elementen gleicher Koordinate eine definierte Phasenverschiebung vermittelt werden kann, wie es durch das Dreieck 14 symbolisiert ist. Auf diese Weise kann erreicht werden, daß trotz eines um einen Winkel f) von der Senkrechten abweichenden Einfallswinkel alle Einzelsignale der Einzel-Antennen-Elemente am Summationspunkt phasengleich auflaufen.
Erfindungsgemaß ist lediglich eine Einstellebene mit phasenverschiebend wirkenden Gliedern vorgesehen. Um die Richtung der Hauptkeule nicht nur in der durch die Z-Achse und die X' -Achse aufgespannten Ebene um einen Winkel ü verschwenken zu können, ist vorgesehen, daß die gesamte Antennenanordnung um die Hochachse, d.h. die Z-Achse schwenkbar ist, so daß die X'-Achse um einen Winkel φ zur X-Achse verschwenkt werden kann. Bei entspre- chender Ausrichtung der Antennenfläche kann der Winkel φ beispielsweise ein Azimut sein.
Das erfindungsgemäß vorgesehene sehr einfache Konzept ermöglicht billige Antennen, die in beliebiger Lage an Gebäudewänden, und insbesondere parallel zu einer Gebäudewand, angeordnet werden können, wobei die Richtung der Hauptkeule gleichwohl im Raum frei ausgerichtet werden können.
Figur 2 zeigt den erfindungsgemäß vorgesehenen Aufbau einer Planarantenne; in Figur 3 sind die in Figur 2 gezeigten Schichten als Explosionszeichnung dargestellt.
Erfindungsgemäß ist ein zweischaliger Aufbau vorgesehen, um zwei orthogonal zueinanderstehende Polarisationsanteile auszuwerten und so eine beliebige Polarisationarten einstellen zu können. In Figur 2 sind die zu einer oberen Schale gehörigen Schichten mit 20er-Bezugszeichen versehen, während die zu einer unteren Schale gehörigen Schichten 30er-Bezugszeichen tragen.
In Figur 2 erkennt man von oben nach unten zunächst eine Metallschicht 20, die auf einem Trägermaterial 22 aufgebracht ist, das im folgenden als "Superstrat 22" bezeichnet werden wird. Figur 3 zeigt, daß die Metallschicht 20 2 x 2 kreisförmige Ausschnitte 21 trägt. Jeder kreisförmige Ausschnitt ist Teil eines Einzel- Antennen-Elementes. Die Darstellung einer 2 x 2-Matrix von Einzel-Antennen-Elementen ist gewählt worden, um eine leicht zu erfassende Darstellung zu ermöglichen, bei tatsächlichen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Antenne werden die Matrizen von Einzel-Antennen-Elementen wesentlich größer zu wählen sein, um insbesondere beim Satellitenempfang ein ausreichend starkes Gesamtsignal zu erhalten. Unter de Superstrat 22 ist eine Folie 24 angeordnet, die in Richtung der Pfeile in Figur 3 verschiebbar ist. Auf der Folie 24 sind im wesentlichen U-förmige Leiterabschnitte 25a und 25b angeordnet, deren Funktion bei Betrachten der nächsten Schicht, des Substrates 26, deutlich wird. Das Substrat 26 trägt eine Netzwerkstruktur mit Einzel-Antennen-Elementen 27, die sämtlich in eine Richtung parallel zueinander ausgerichtet sind. Von den Einzel-Antennen-Elementen 27, die mit den entsprechenden Kreisausschnitten 21 in der Metallschicht 20 zusammenwirken, gehen Leitungen ab, die an zwei Stellen 28a und 28b unterbrochen sind. Diese Unterbrechungsstellen werden durch die U-förmigen Leiterstücke 25a und 25b überbrückt, wobei durch die Stellung der Folie 24 die effektive Länge der U-förmigen "Ausziehleitungen" 25a und 25b verändert werden kann. Wird die in Figur 3b darge- stellte Folie 24 beispielsweise zum oberen Zeichnungsrand hin verschoben, wird die effektive Länge der Umwegleitung 25a vergrößert, während die der Leitung 25b verkleinert wird. Entsprechend wird ein Phaεendifferenzwinkel eingestellt, da die von in Figur 3 links liegenden Einzel-Antennen-Elementen herrührenden Signale einen längeren Laufweg zurückzulegen haben als die von den in der gleichen Figur rechts dargestellten Einzel-Antennen- Elementen herrührenden.
In den unteren Schichten wiederholt sich der gleiche Aufbau, wobei die Metallschicht 30 zusätzlich eine zentrale Öffnung 33 aufweist, um einen Zugriff auf einen Auskoppelkontakt 29 zu ermögliche, der auf dem Substrat 26 angeordnet ist.
Im Gegensatz zu der Netzwerkstruktur mit Einzel-Antennen-Elemen- ten 27, die auf dem Substrat 26 angeordnet ist, sind die Einzel- Antennen-Elemente 37, die jeweils mit den Ausschnitten 31 in der Metallschicht 30 zusammenwirken, unter einer orthogonal verlaufenden Richtung zu den erstgenannten Einzel-Antennen-Elementen 27 ausgerichtet.
Ebenso verläuft der Auskoppelkontakt 39 unter einem Winkel von π/2 zu dem Auskoppelkontakt 29. Als unterste Schicht erkennt man die Grundebene 40 einen Rundhohlleiter 42, der gegenüber der Grundebene 40 erfindungsgemäß verdrehbar ist und dem um π/2 zueinander versetzt angeordneten Auskoppelkontakt 29 und 39 der beiden Schalen zusammenwirkt.
In Figur 4 sind vier Einzel-Antennen-Elemente je der oberen und der unteren Schale perspektivisch übereinander dargestellt. Man erkennt, daß die einander zugeordneten Einzel-Antennen-Elemente 27 und 37 unter rechtwinklig zueinander liegenden Polarisations- richtungen angeordnet sind. Auch erkennt man, daß die Projektionen der Auskoppelkontakte 29 und 39 der oberen bzw. unteren Schale um einen Winkel von π/2 zueinander angeordnet sind; weiter erkennt man den drehbar angeordneten Rundhohlleiter 42, mit dem das aufsummierte Gesamtsignal ausgekoppelt wird.
Figur 5 zeigt die Darstellung gemäß Figur 4 in Form einer Projektion, wobei die Projektionsrichtung parallel zur Hochachse, d.h. Z-Achse verläuft. Die im Raum voneinander beabεtandeten Ebenen der ersten und zweiten Schale erscheinen daher in der Draufsicht in Figur 5 miteinander verschmolzen. Figur 5 zeigt weiterhin zwei auf dem Rundhohlleiter 42 angeordnete Auskoppelkontakte 49, die um π/2 voneinander beabstandet sind, ebenso wie die Auskoppelkontakte 29 der oberen Schale und 39 der unteren Schale. In der in Figur 5 gezeigten Stellung kann an dem senk- recht dargestellten Auskoppelkontakt das Signal des (bezüglich der Ansicht) vertikal polarisierten Wellenanteils ausgekoppelt werden. Am anderen Auskoppelkontakt 49 steht dementsprechend das Signal des horizontal polarisierten Wellananteils zur Verfügung.
In Figur 6 ist der Rundhohlleiter 42 relativ zur Antennenfläche verdreht worden, so daß an den Koppelkontakten 49 Signale horizontal und vertikal polarisierter Wellenanteile bezüglich einer zur Ansicht schrägen Einfallsebene zur Verfügung stehen.
Für lineare Polarisationsformen läßt sich demgemäß durch Verdrehen des Rundhohlleiters 42 eine beliebige Polarisationsebene einstellen. Werden die von den beiden Schalen gelieferten Signale unter Zwischenschaltung eines 90°-Phasenschiebers miteinander verknüpft, so läßt sich mit der erfindungsgemäßen Planarantenne auch ein zirkulär polarisiertes Signal verarbeiten, da zirkulär polarisierte Wellen aus beliebigen zwei orthogonalen linearen Wellenanteilen zusammengesetzt werden können. Sind die Auskopplungskontakte am Rundhohlleiteranschluß so verschaltet, daß sie zirkuläre Polarisation ergeben, ist die Drehung bzw. der Winkel zur Hauptebene der Antenne unerheblich.
Die erfindungsgemäße Antenne eröffnet kostengünstig die Möglichkeit, eine Universalantenne insbesondere für den Satellitenempfang zu schaffen, die in beliebiger Stellung, d.h. in ästhetisch zufriedenstellender Weise angeordnet, auf einen zu empfangenen Satelliten ausgerichtet werden und mit einfachen Mitteln auf verschiedene Polarisationsformen umgeschaltet werden kann.
Die Figuren 7 und 8 zeigen Beispiele für die Binär-Baumstruktur und die Anordnung von phasenverschiebenden "Ausziehleitungen" . Figur 7 zeigt eine Anordnung, in der die Einzel-Antennen-Elemente durch Kreise 12 symbolisiert sind, während die phasenverschiebenden Elemente 25 der ersten Schale und 35 der zweiten Schale durch entsprechende U-förmige Stücke angedeutet sind. Figur 7 zeigt weiter die kreisförmige Begrenzung der Antennen- Ebene, die eine Drehung um die - in Figur 7 senkrecht zur Zeichenebene verlaufende - Hochachse begünstigt.
Figur 8 zeigt beispielhaft in ähnlicher symbolischer Darstellung denkbare Matrizen bzw. Binär-Baumstrukturen für 2x2-Antennen- Elemente, 4x4-, 8x8- und 16xl6-Antennen-Elemente . Die Größe der Matrix an Antennen-Elementen läßt sich beliebig wählen, wobei quadratischen Anordnungen der Vorzug zu geben ist.

Claims

Patentansprüche
1. Ebene Mikrowellen-Antenne (10), mit miteinander über Leitungen definierter Länge verknüpften Einzel-Antennen-Elementen (12), die über einer Masseebene (40) angeordnet sind, wobei benachbart der Ebene (26, 36), in der die Einzel-Antennen-Elemente angeordnet sind, eine verschiebbare Ebene (Einstellebene) (24, 34) angeordnet ist, die Mittel trägt, um phasenverschiebend auf die von den Leitungen geführten Einzelsignale einzuwirken, dadurch gekennzeichnet,
daß die Leitungen jeweils unterbrochen (28a,b; 38a, b) sind, und
daß jeder Unterbrechungsstelle (28a, b; 38a, b) jeweils ein auf der verschiebbaren Ebene (24, 34) angeordneter, im wesentlichen U-förmiger Leiterabschnitt (25a, b; 35a, b) zugeordnet ist, dessen aktive Länge durch Verschieben der Einstellebene veränderlich ist.
2. Mikrowellen-Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellebene zwischen Maεseebene und der Ebene der Einzel-Antennen-Elemente angeordnet ist.
3. Mikrowellen-Antenne nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, daß die Enden einer jeden Unterbrechungεεtelle (28a, b; 38a, b) mit dem jeweiligen zugeordneten U-förmigen Leiterabschnitt (25a, b; 35a, b) auf der Einstellebene galvanisch gekoppelt sind.
4. Mikrowellen-Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden einer jeden Unterbrechungsstelle (28a, b; 38a, b) mit dem jeweiligen zugeordneten U-förmigen Leiterabschnitt (25a, b; 35a, b) auf der Einstellebene induktiv/kapazitiv gekoppelt sind.
5. Mikrowellen-Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (0) zwischen der Hauptkeulenrichtung und der Antennenebene (10) durch Verschieben der Einstellebene (24, 34) einstellbar ist.
6. Mikrowellen-Antenne nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellebene (24, 34) in Form einer Folie ausgebildet ist, die durch an den Rändern angelenkte Zugmittel einstellbar ist.
7. Mikrowellen-Antenne nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne mechanische Mittel aufweiεt, um die Hauptkeulenrichtung bei gegebenem Winkel (ö) zwischen Hauptkeulenrichtung und Antennenebene im Raum auszurichten
(φ)-
8. Mikrowellen-Antenne nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenebene drehbar gelagert ist.
9. Mikrowellen-Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen kreisrunden Rand.
10. Mikrowellen-Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen zweischaligen Aufbau (20er, 30er), wobei jede Schale zumindest eine Einzel-Antennen- Elemente enthaltende Ebene (26, 36) und eine Einstellebene (24, 34) aufweist und die Vorzugsrichtung der Einzel-Antennen-Elemente (27) der ersten Schale rechtwinklig zu der Vorzugsrichtung der Einzel-Antennen-Elemente (37) der zweiten Schale verläuft.
11. Mikrowellen-Antenne nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils aufsummierten Signale der ersten (20er) und der zweiten Schale (30er) zu jeweils einem von zwei Auskoppelkontakten (29, 39) geleitet werden, die um einen Winkel von π/2 zueinander verεetzt in einem kreisförmigen Ausschnitt (33) angeordnet sind, und daß ein in dem kreisförmigen Ausschnitt drehbar gelagerter Hohlleiter (42) mit kreisförmigem Querschnitt zwei korrespondierende, um π/2 zueinander versetzt angeordnete Auεkoppelkontakte (49) aufweiεt.
12. Mikrowellen-Antenne mit miteinander über Leitungen definierter Länge verknüpften Einzel-Antennen-Elementen, die über einer Masseebene (40) angeordnet sind, gekennzeichnet durch einen zweischaligen Aufbau (20er, 30er), wobei jede Schale zumindest eine Einzel-Antennen-Elemente (27, 37) enthaltende Ebene (26, 36) aufweist und die Polarisationsrichtung der Einzel-Antennen-Elemente (27) der ersten Schale (20er) rechtwinklig zu der Vorzugsrichtung der Einzel- Antennen-Elemente (37) der zweiten Schale (30er) verläuft.
13. Mikrowellen-Antenne nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils aufsummierten Signale der ersten und der zweiten Schale zu jeweils einem von zwei Auskoppelkontakten (29, 39) geleitet werden, die um einen Winkel von π/2 zueinander versetzt in einem kreisförmigen Ausschnitt (33) angeordnet sind, und daß ein in dem kreisförmigen Ausschnitt drehbar gelagerter Hohlleiter (42) mit kreisförmigem Querschnitt zwei korrespondierende, um π/2 zueinander versetzt angeordnete Auskoppelkontakte (49) aufweist.
14. Mikrowellen-Antenne nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils benachbart der Ebene, in der die Einzel- Antennen-Elemente angeordnet sind, eine verschiebbare Ebene (Einstellebene) (24, 34) angeordnet ist, die Mittel trägt, um phasenverschiebend auf die von den Leitungen geführten Einzelsignale einzuwirken, daß die Leitungen jeweils unter- brochen sind, und daß jeder Unterbrechungsstelle (28a, b; 38a, b) jeweils ein auf der verschiebbaren Ebene angeordneter, im wesentlichen U-förmiger Leiterabschnitt (25a, b; 35a, b) zugeordnet ist, deεsen aktive Länge durch Verschieben der Einstellebene veränderlich ist.
15. Mikrowellen-Antenne nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellebene zwischen Masseebene und der Ebene der Einzel-Antennen-Elemente angeordnet ist.
16. Mikrowellen-Antenne nach Anεpruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden einer jeden Unterbrechungεstel- le (28a, b; 38a, b) mit dem jeweiligen zugeordneten U-förmigen Leiterabschnitt (25a, b; 35a, b) auf der Einstellebene (24, 34) galvanisch gekoppelt sind.
17. Mikrowellen-Antenne nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden einer jeden Unterbrechungsstel- le (28a, b; 38a, b) mit dem jeweiligen zugeordneten U-förmigen Leiterabschnitt (25a, b; 35a, b) auf der Einstellebene (24, 34) induktiv/kapazitiv gekoppelt sind.
18. Mikrowellen-Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel ( ύ ) zwischen der Hauptkeulenrichtung und der Antennenebene durch Verschieben der Einstellebene (24, 34) einstellbar ist.
19. Mikrowellen-Antenne nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellebene (24, 34) in Form einer Folie ausgebildet ist, die durch an den Rändern angelenkte Zugmittel einstellbar ist.
20. Mikrowellen-Antenne nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne mechanische Mittel aufweiεt, um die Hauptkeulenrichtung bei gegebenem Winkel (0) zwischen Hauptkeulenrichtung und Antennenebene im Raum auszurichten
21. Mikrowellen-Antenne nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenebene (10) drehbar gelagert ist.
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